Modellierung der Elektrolytverteilung in repräsentativen Volumina

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 276655287

In der ersten Projektphase konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, das Eindringen eines Elektrolyten in eine Gasdiffusionselektrode (GDE) auf der Porenskala zu simulieren. Dazu musste das Verhalten der Phasengrenze an Poren mit heterogenem Benetzungsverhalten rigoros modelliert werden. Während die Silberphase vom Elektrolyt benetzt wird, ist der PTFE-Anteil stark hydrophob und verhindert das Eindringen den Elektrolyten. Die Phasengrenze steht dabei teilweise mit Elektrolyt und teilweise mit PTFE in Kontakt. Der erforderliche Berechnungsaufwand ist sehr hoch, so dass bisher nur kleine Ausschnitte der realen Struktur betrachtet werden konnten. Die vorliegenden Berechnungen lassen vermuten, dass der Elektrolyt sich fingerförmig ausbreitet und stark fraktale Strukturen bildet.Das Ziel in der zweiten Förderperiode ist die Simulation der Elektrolytverteilung in Volumen, die als repräsentativ angesehen werden können. Dazu wird ein hybrides Berechnungsverfahren vorgeschlagen. Die Umgebung der freien Phasengrenzflächen wird rigoros berechnet, während der Fluss des Elektrolyten durch gefüllte Poren vereinfacht als Strömungswiderstand modelliert wird. Eine weitere Beschleunigung der Berechnung soll erreicht werden indem ein voll-implizite Zeitintegration für die SPH-Simulation durchgeführt wird und die Berechnung der freien Phasengrenze parallelisiert wird.Aus orientierenden Messungen ist bekannt, dass ein elektrisches Potential zu einer besseren Benetzung der Silber-Phase durch den Elektrolyten führt. Der Einfluss dieses als „Electrowetting“ bezeichnete Verhalten auf die Elektrolytverteilung in der GDE soll in der zweiten Förderperiode untersucht werden.Um das Modell zu validieren werden Kapillardruck-Sättigungsmessungen an einer GDE durchgeführt, wobei das angelegte elektrische Potential variiert wird. Dies erlaubt erste, integrale Vergleiche mit Berechnungen. Ortsaufgelöste Messungen der Elektrolytverteilung durch den AK Manke erlauben eine detaillierte Validierung.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2397: Multiskalen-Analyse komplexer Dreiphasensysteme